(57)【要約】【課題】大きな変位量及び発生応力と、優れた耐久性と、を兼ね備えた積層圧電体及び圧電アクチュエータを提供する。【解決手段】圧電セラミック結晶を主体とする圧電セラミック層を複数積層してなり、全体の厚みが１００μｍ以下の積層圧電体において、前記圧電セラミック結晶の平均粒径が１〜３μｍ、且つ２〜４μｍの圧電セラミック結晶粒子が、前記圧電セラミック結晶全体の１０〜３０％を占め、さらに前記圧電セラミック結晶の粒径分布において、平均粒子径に対し非対称の分布を有することを特徴とする。【選択図】図１
2006237077.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧電セラミック結晶を主体とする圧電セラミック層を複数積層してなり、全体の厚みが１００μｍ以下の積層圧電体において、前記圧電セラミック結晶の平均粒径が１〜３μｍ、且つ２〜４μｍの圧電セラミック結晶粒子が、前記圧電セラミック結晶全体の１０〜３０％を占め、さらに前記圧電セラミック結晶の粒径分布において、平均粒子径に対し非対称の分布を有することを特徴とする積層圧電体。
【請求項２】
１μｍ以上で２μｍ未満の圧電セラミック結晶粒子が、前記圧電セラミック結晶全体の４０〜９０％を占めることを特徴とする請求項１記載の積層圧電体。
【請求項３】
前記圧電セラミックスのｃ／ａが１．０１０〜１．０１５であることを特徴とする請求項１記載の積層圧電体。
【請求項４】
前記圧電セラミックスの気孔率が２％以下であることを特徴とする請求項１記載の積層圧電体。
【請求項５】
請求項１〜５のいずれかに記載の積層圧電体と、少なくとも１対の電極と、からなることを特徴とする圧電アクチュエータ。
【請求項６】
前記積層圧電体が、振動板の上に、内部電極、圧電セラミック層及び表面電極をこの順に形成してなり、内部電極、圧電セラミック層及び表面電極によって形成される圧電変位素子が前記振動板の上に複数マトリックス状に配列して形成されてなることを特徴とする請求項４記載の圧電アクチュエータ。
【請求項７】
液体吐出装置として用いられることを特徴とする請求項５又は６記載の圧電アクチュエータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、積層圧電体、圧電アクチュエータに関し、例えば、燃料噴射用インジェクタ、インクジェットプリンタ、あるいは圧電共振子、発振器、超音波モータ、超音波振動子、フィルタあるいは加速度センサ、ノッキングセンサ、及びＡＥセンサ等の圧電センサなどに適し、特に、広がり振動、伸び振動、厚みたて振動を利用した印刷ヘッドとして好適に用いられる積層圧電体及び圧電アクチュエータに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から、圧電磁器を利用した製品としては、例えば、圧電アクチュエータ、フィルタ、圧電共振子（以下、発振子を含む概念である）、超音波振動子、超音波モータ、圧電センサ等がある。
【０００３】
これらの中で、例えば圧電アクチュエータは、電気信号に対する応答速度がμｓｅｃオーダーと非常に高速であるため、半導体製造装置のＸＹステージの位置決め用圧電アクチュエータやインクジェットプリンタの印刷ヘッドに用いられる圧電アクチュエータ等に応用されている。特に、最近のカラープリンタの高速化、低価格化により、インクジェットプリンタ等のインク吐出用圧電アクチュエータへの使用要求が高まっている。
【０００４】
このような圧電アクチュエータは圧電変位素子が使用されており、例えば、振動板として作用するセラミックス基板と、その上に設けられた第１の電極膜、圧電膜、及び第二の電極膜からなる膜型の圧電作動部から構成されるものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００５】
このような圧電アクチュエータは、印加された電圧や加重、温度により、圧電磁器の分極方向が歪方向（分極方向）からずれ、９０度ドメインスイッチングが多発するため、変位を繰り返すと圧電定数が低下するという問題があった。
【０００６】
そこで、９０度ドメインスイッチングの際にドメイン間に結晶格子の歪みが繰り返し作用して発生する微細クラックを抑制するために、圧電セラミック結晶の粒径を小さくして強度を高めることが提案されている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１によれば、圧電セラミック結晶の平均粒径を２μｍ以下、密度を９９％にすることによって強度を高め、耐久性を向上するものである。
【特許文献１】特開平５−３１９９２６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、特許文献１に記載された圧電アクチュエータは、強度を高めることで耐久性を高めることができるものの、特許文献１図５に示されたように、１億回の駆動で圧電歪み定数が２０％も低下しており、耐久性は未だ十分ではなく、しかも変位量や発生圧力も十分ではないため、印刷ヘッドとして用いた場合、インクの吐出速度や印刷品質が低下するという問題があった。
【０００８】
つまり、従来は、大きな変位量及び発生応力と、優れた耐久性と、を同時に満足する圧電アクチュエータを得ることができないという問題があった。
【０００９】
そこで、本発明は、大きな変位量及び発生応力と、優れた耐久性と、を兼ね備えた積層圧電体及び圧電アクチュエータを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、平均結晶粒径を小さくするとともに、比較的大きな結晶粒子を含有させることで、分域回転歪による十分な変位を確保し、大きな変位量及び発生応力と、優れた耐久性と、を兼ね備えた積層圧電体及び圧電アクチュエータを提供することができるとの知見に基づくものである。
【００１１】
即ち、本発明の積層圧電体は、圧電セラミック結晶を主体とする圧電セラミック層を複数積層してなり、全体の厚みが１００μｍ以下の積層圧電体において、前記圧電セラミック結晶の平均粒径が１〜３μｍ、且つ２〜４μｍの圧電セラミック結晶粒子が、前記圧電セラミック結晶全体の１０〜３０％、さらに前記圧電セラミック結晶の粒径分布において、平均粒子径に対し非対称の分布を有することを特徴とする。
【００１２】
特に、１μｍ以上で２μｍ未満の圧電セラミック結晶粒子が、前記圧電セラミック結晶全体の４０〜９０％を占めることが好ましい。
【００１３】
前記圧電セラミックスのｃ／ａが１．０１０〜１．０１５であることが好ましい。
【００１４】
前記圧電セラミックスの気孔率が２％以下であることが好ましい。
【００１５】
本発明の圧電アクチュエータは、上記の積層圧電体と、少なくとも１対の電極と、からなることが好ましい。
【００１６】
特に、前記積層圧電体が、振動板の上に、内部電極、圧電セラミック層及び表面電極をこの順に形成してなり、内部電極、圧電セラミック層及び表面電極によって形成される圧電変位素子が前記振動板の上に複数マトリックス状に配列して形成されてなることが好ましい。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
図１は、本発明の積層圧電体の構造を示す概略断面図である。
【００１８】
図１によれば、積層圧電体１は、圧電セラミック層２の積層体と電極とで構成される。また、電極は、積層体の内部に存在する内部電極４と積層体の表面に存在する複数の表面電極６とからなっている。そして、表面電極６にリード線を接続し、外部との電気接続を施すことによって、圧電アクチュエータとして好適に使用することができる。
【００１９】
本発明によれば、積層圧電体の総厚みＴが１００μｍ以下であることが重要であり、特に８５μｍ以下、更には７０μｍ以下であることが好ましい。これにより、各圧電変位素子の変位を大きくすることができ、低電圧で高効率の駆動を実現できる。
【００２０】
積層圧電体１は、圧電セラミック結晶を主体とする複数の圧電セラミック層２ａ、２ｂを積層してなる。その圧電セラミック結晶の平均結晶粒子径は１〜３μｍであることが重要である。これによって、分域回転の抑制が実現でき、優れた駆動耐久性を得ることができる。さらに、平均結晶粒子径は１．２〜２．０μｍであることが好ましい。
【００２１】
また、２〜４μｍの圧電セラミック結晶粒子が、圧電セラミック結晶全体の１０〜３０％を占めることが重要である。このように、平均粒径を１〜３μｍと小さく維持しつつ、大きな粒子を分散させることにより、大きな変位量及び発生応力の確保が実現できる。特に、分域回転歪による変位をより高くするためには、２〜４μｍの圧電セラミック結晶粒子が、圧電セラミック結晶全体の１５〜２５％を占めることが好ましい。
【００２２】
さらに、圧電セラミック結晶の粒径分布において、平均粒子径に対し非対称の粒度分布を有することも重要である。このように、圧電セラミック結晶の粒径分布を非対称にすると、大きな変位量及び発生応力の確保と分域回転による変位の抑制効果が得られ、高い駆動耐久性を確保することができる。
【００２３】
本発明の積層圧電体１の粒径分布を図２に例示した。この時の平均粒径は１．５４μｍであった。また、図２によれば、２〜４μｍの粒径を有する結晶は、全体の約２２％である。さらに、１．５４μｍよりも小さな粒径の結晶が多く分布しており、１．５４μｍを中心にすると、その左側にピークを有し、非対称の分布曲線を有している。
【００２４】
また、本発明によれば、１μｍ以上で２μｍ未満の粒径の圧電セラミック結晶の粒子数が、圧電セラミック結晶の粒子数全体の３０〜９０％、特に３５％〜６０％の割合を占めることが好ましい。これにより、分域回転による変位の抑制ができ、その結果、優れた耐久性を得ることができる。
【００２５】
このように、全体の厚みが１００μｍ以下の積層圧電体１においては、（１）圧電セラミック結晶の平均粒径を１〜３μｍにせしめるとともに、（２）２〜４μｍの圧電セラミック結晶粒子の占有割合を１０〜３０％にせしめ、（３）圧電セラミック結晶の粒径分布を非対称分布とする、ことにより、圧電アクチュエータとして用いた場合に、大きな変位量及び発生応力と、優れた耐久性と、を同時に満足する積層圧電体１を実現できる。
【００２６】
特に、１〜２μｍ（２μｍを含まず）の圧電セラミック結晶粒子が、圧電セラミック結晶全体の４０〜９０％であることが好ましい。これにより、分域回転歪による変位をより高めることが容易になる。
【００２７】
また、圧電セラミック層２のペロブスカイト型化合物の格子定数比ｃ／ａを１．０１０〜１．０１５に設定することが好ましい。この構成によりペロブスカイト型化合物の主体を正方晶組成にすることができ、大きな変位量を得やすくなる。特に、安定した圧電特性を得るため、１．０１２０〜１．０１４５、更に１．０１２５〜１．０１３５であることが好ましい。
【００２８】
例えば、本発明の積層圧電体１を圧電積層体２ａからなる振動板上に形成する場合、高温で硬化する接着剤を用いる場合が多い。高温で接着した際、積層圧電体１と振動板の熱膨張差から積層圧電体１に圧縮応力がかかる場合がある。例えば、熱膨張率１×１０−５のＳＵＳの板に熱膨張率６×１０−６の積層圧電体１を１２０℃で接着した場合、３０ＭＰａの圧縮応力が積層圧電体１にかかることになる。積層圧電体１に圧縮応力がかかると、圧電特性が低下してしまう。その程度は菱面体晶との正方晶ではより菱面体晶領域の材料ほど顕著である。よって、結晶相を正方晶領域に制御することにより、優れた圧電特性を維持することができる。
【００２９】
さらに、圧電定数が同じでも、気孔率が小さいほど変位量をより高めやすい傾向があるため、圧電セラミックスの気孔率が２％以下に設定することが好ましい。さらに、４０ＭＰａ以上の強度を維持するために、気孔率を１％以下にすることが好ましい。
【００３０】
本発明における圧電性セラミックスは、圧電性を示すセラミックスを用いることができる。例えば、Ｂｉ層状化合物やタングステンブロンズ構造物質、Ｎｂ酸アルカリ化合物のペロブスカイト構造化合物、Ｐｂを含有するジルコン酸チタン酸鉛（ＰＺＴ）やチタン酸鉛等を含有するペロブスカイト構造化合物を例示できるが、これら中でもＰｂを含むジルコン酸チタン酸鉛やチタン酸鉛が、電極との濡れ性を高め、電極との密着強度を高める点で好適である。
【００３１】
即ち、Ａサイト構成元素としてＰｂを含有し、且つ、Ｂサイト構成元素としてＺｒ及び／又はＴｉを含有する結晶であり、特に、チタン酸ジルコン酸鉛系化合物であることが、より高いｄ定数を有する安定な圧電焼結体を得るために好ましい。
【００３２】
また、圧電セラミック層２が、Ｓｒ、Ｂａ、Ｎｉ、Ｓｂ、Ｎｂ、Ｚｎ、Ｙｂ及びＴｅのうち少なくとも１種を含むことが好ましい。これによって、より安定した圧電焼結体を得ることができ、例えば副成分としてＰｂ（Ｚｎ１／３Ｓｂ２／３）Ｏ３及びＰｂ（Ｎｉ１／２Ｔｅ１／２）Ｏ３とを固溶してなるものを例示できる。
【００３３】
特に、Ａサイト構成元素として、さらにアルカリ土類元素を含有することが望ましい。アルカリ土類元素としては特にＢａ、Ｓｒが高い変位を得られる点で好ましく、Ｂａを０．０２〜０．０８モル、Ｓｒを０．０２〜０．１２モル含むことが特に正方晶組成が主体の組成の場合に大きな変位を得るのに有利である。
【００３４】
例えば、Ｐｂ１−ｘ―ｙＳｒｘＢａｙ（Ｚｎ１／３Ｓｂ２／３）ａ（Ｎｉ１／２Ｔｅ１／２）ｂＺｒ１−ａ−ｂ−ｃＴｉｃＯ３＋αｗｔ％Ｐｂ１／２ＮｂＯ３（０≦ｘ≦０．１４、０≦ｙ≦０．１４、０．０５≦ａ≦０．１、０．００２≦ｂ≦０．０１、０．４４≦ｃ≦０．５０、α＝０．１〜１．０）で表されものである。
【００３５】
次に、本発明の積層圧電体の製造方法について、一例としてＰＺＴを圧電セラミックスとして用いた場合について説明する。
【００３６】
まず、原料として、純度９９％、平均粒子径１μｍ以下のＰＺＴ粉末を、圧電性セラミックス粉末として準備した。
【００３７】
この圧電セラミックス粉末に適当な有機バインダーを添加してテープ状に成形し、作製したグリーンシートの一部に内部電極としてＡｇ−Ｐｄペーストを塗布して積層し、積層成形体を作製した後に、１０〜５０ＭＰａの圧力で加圧した後、所望の形状にカットする。これを、４００℃程度で脱バインダーを行いその後焼成する。焼成後、表面に所望の電極を形成し分極して積層圧電体ができる。
【００３８】
さらに、焼結前生密度が４．５ｇ／ｃｍ２以上であることが好ましい、焼結体密度を４．５ｇ／ｃｍ２以上に上げることにより、より低温での焼成が可能であり、さらに生密度を上げると、Ｐｂの蒸発を抑制することが可能である。
【００３９】
本発明によれば、圧電セラミック結晶の平均粒径が１〜３μｍ、且つ２〜４μｍの圧電セラミック結晶粒子が、圧電セラミック結晶全体の１０〜３０％、さらに圧電セラミック結晶の粒径分布において、平均粒子径に対し非対称の分布を有するための製造方法を以下に例示する。
【００４０】
積層成形体を焼成する際に、積層成形体を一対のＰＺＴ板で挟むように配置して焼成することにより、過剰Ｐｂ雰囲気の調整が可能となり、この過剰Ｐｂ雰囲気での焼成によって、粒成長を抑制することが可能である。さらに、焼成温度を１０００℃以下にすることにより、粒成長が不飽和状態になり、粒径が大きいものと小さいものを分散させることができる。その結果、粒度分布を非対称にすることができる。
【００４１】
さらに、焼成時の雰囲気を９０％以上の酸素雰囲気にすることにより、緻密化が可能で、気孔率を２％以下に抑制でき、また、ｃ／ａを１．０１０〜１．０１５にすることが容易になる。
【００４２】
本発明の圧電アクチュエータは、上記の積層圧電体を具備するものであり、このような圧電アクチュエータは、高い変位を有するという特徴を有する。特に、積層圧電体が、支持基板に接合されてなるものであることが好ましい。
【００４３】
本発明の圧電アクチュエータは、上記の積層圧電体と、少なくとも１対の電極と、からなることが好ましい。これにより、圧電アクチュエータとして高い発生応力得ることができる。
【００４４】
特に、積層圧電体が、振動板の上に、内部電極、圧電セラミック層及び表面電極をこの順に形成してなり、内部電極、圧電セラミック層及び表面電極によって形成される圧電変位素子が振動板の上に複数マトリックス状に配列して形成されてなることが好ましい。これにより、高い発生応力と、一度に多数の吐出部を持つ高速のインク吐出が可能な圧電アクチュエータを得ることができる。
【００４５】
このような圧電アクチュエータをインクジェット用印刷ヘッドとして用いた例を図３（ａ）、（ｂ）に示した。図３によれば、印刷ヘッドは、圧電アクチュエータ１１と、複数の溝が並設され、溝をインク流路１３ａ、各溝を仕切る隔壁１３ｂを具備する流路部材１３とを接合してなるものである。
【００４６】
圧電アクチュエータ１１は、圧電セラミック層１２ａからなる振動板の上に、内部電極１４、圧電セラミック層１２ｂ及び表面電極１６をこの順に形成してなり、内部電極１４、圧電セラミック層１２ｂ及び表面電極１６によって圧電変位素子１７が形成される。
【００４７】
また、表面電極１６は、圧電セラミック層１２ｂの上に、インク流路１３ａの直上に位置するように、マトリックス状に配列している。即ち、本発明の積層圧電体１は、一つの基板内に複数の圧電変位素子１７を備えており、インクジェット方式を利用した記録装置に用いられるインクジェット用印刷ヘッドに好適に用いることができる。
【００４８】
圧電アクチュエータ１１と流路部材１３との接着は、振動板がインク流路１３ａの空間と当接するように流路部材１３に接着剤等を用いて行うことができる。なお、接合の際には、圧電変位素子１７の個別電極１６がインク流路１３ａとそれぞれ１対１で対応し、個別電極１６がインク流路１３ａの直上に配置するように接合することは言うまでもない。
【００４９】
表面電極１６及び内部電極１４は外部とそれぞれ電気接続が施されており、表面電極１６と内部電極１４との間に駆動回路からの駆動圧電を印加し、圧電セラミック層１２ｂを変位させることができ、その結果、駆動電圧が印加されて変位した変位素子に対応するインク流路１３ａ内のインクを加圧し、流路部材１３の底面に開口させたインク吐出孔１８よりインク滴を吐出させることができる。
【００５０】
このように、本発明の圧電アクチュエータ１１を採用した印刷ヘッド、変位特性に優れるため、高速で高精度なインク吐出が得られ、高速印刷に好適な印刷ヘッドを提供することができる。また、本発明の印刷ヘッドをプリンタに搭載することによって、例えば、上記の印刷ヘッドにインクを供給するインクタンクと、記録紙に印刷するための記録紙搬送機構とを備えているプリンタは、従来に比べて高速・高精度の印刷を容易に達成できる。
【実施例】
【００５１】
本発明の積層圧電体を作製し、これを圧電アクチュエータとしてインクジェット印刷ヘッドに応用した。
【００５２】
まず、原料として、純度９９％以上のチタン酸ジルコン酸鉛を含有する圧電セラミックス粉末を準備した。
【００５３】
グリーンシートは、ジルコン酸チタン酸鉛を主成分とする圧電用のセラミック材の粉末に、水系バインダーとしてブチルメタクリレート、分散剤にポリカルポン酸アンモニウム塩、溶剤にイソプロビルアルコールと純水を各々添加して混合し、このスラリーをドクタープレード法によりキャリアフィルム上に、厚さ３０μｍのシート形状にて作製した。
【００５４】
また、内部電極ペーストを、表１の組成に調合し、さらに、所望により、圧電用のセラミックス材の粉末を表１の組成になるように添加した。これらは、別々に有機バインダー及び有機溶剤を含むビヒクルで混合し、その後に両者を充分に混練して、内部電極ペーストを作製した。
【００５５】
得られた内部電極ペーストを、グリーンシートの表面に厚さ４μｍで印刷し、内部電極を形成した。更に、内部電極が印刷された面を上向きにしてグリーンシートの２枚の間に内部電極ペーストを印刷しないグリーンシート１枚づつ積層し、表１記載の圧力で加圧プレスし、積層体を得た。
【００５６】
この積層体を脱脂処理した後に、表１に示す温度、酸素９９％以上の雰囲気中で４時間保持して焼結し、圧電セラミック層１と内部電極４とからなる積層体を作製した。それらの表面片側に表面電極６を形成した。表面電極６は、スクリーン印刷にてＡｕペーストを塗布した。これを６００〜８００℃で大気中で焼付けて形成した。
【００５７】
最後に、表面電極６にリード線を半田で接続し、図１に示すような形状の圧電変位素子を完成した。
【００５８】
次に、圧電定数と積層圧電体の変位は相関関係を持つので、積層圧電体の変位特性は圧電定数ｄ３１の評価により行った。圧電特性を評価した圧電変位素子について説明する。上記の積層圧電体を１０ｃｍ×１０ｃｍに切断し、その片側のみを研磨し圧電セラミックス一層のみを残す。この磁器の両主面にＡｕ蒸着にて電極を形成した。その後、ダイシングにて長辺方向１２ｍｍ、短辺方向３ｍｍに切り出し、厚み方向に３ｋｖ／ｍｍの直流電圧を５分間印加して分極を行った。この素子をインピーダンスアナライザー（アジレントテクノロジー製４１９４Ａ）にて共振周波数、反共振周波数、共振抵抗、反共振抵抗、静電容量を測定しアルキメデス法より測定した密度よりｄ３１を算出した。
【００５９】
結果を表１に示した。
【表１】
2006237077.tif 000003
【００６０】
本発明の試料Ｎｏ．２〜７及び９〜１６は、圧電定数ｄ３１が１５０以上、３０時間の駆動耐久試験後のｄ３１の劣化率が２％未満の積層圧電体であった。
【００６１】
一方、本発明の範囲外の試料Ｎｏ．８及は３０時間の駆動耐久試験後のｄ３１劣化率が１０％であった。また、試料Ｎｏ．１はｄ３１が１５０ｎｍ未満と小さかった。
【図面の簡単な説明】
【００６２】
【図１】本発明の積層圧電体を示す概略断面図である。
【図２】本発明の積層圧電体の粒度分布を示す説明図である。
【図３】本発明の積層圧電体を適応した印刷ヘッドの概略断面図である。
【符号の説明】
【００６３】
ｌ、１１・・・積層圧電体
２、２ａ、２ｂ、１２ａ、１２ｂ・・・圧電セラミック層
４、１４・・・内部電極
６、１６・・・表面電極
１３・・・流路部材
１３ａ・・・インク流路
１３ｂ・・・隔壁
１７・・・変位素子
１８・・・インク吐出孔
Ｔ・・・積層圧電体の厚み
【図１】
2006237077.tif 000004
【図２】
2006237077.tif 000005
【図３】
2006237077.tif 000006